JP2006073579A - METHOD OF FORMING CRYSTALLINE ZINC OXIDE (ZnO) THIN FILM - Google Patents

METHOD OF FORMING CRYSTALLINE ZINC OXIDE (ZnO) THIN FILM Download PDF

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護 吉本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of forming a ZnO thin film having good crystallinity at a low temperature, at room temperature without heating it in particular. <P>SOLUTION: In the method of forming the crystalline zinc oxide thin film on a substrate at a temperature below 400°C, a crystalline buffer layer whose front surface is primarily a (111)-plane is formed on the substrate, and thereafter the zinc oxide thin film is deposited by a vapor phase method on the buffer layer. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、結晶性酸化亜鉛(ZnO)薄膜の形成方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a crystalline zinc oxide (ZnO) thin film.

最近、酸化亜鉛(ZnO)が、青色半導体レーザー材料である窒化ガリウム(GaN)と同様の結晶構造および電子構造を有している点で注目されている。特に、ZnOは、環境に優しい酸化物であることから、新規の短波長域発光材料や太陽光発電材料などの電子デバイス用薄膜材料として期待されている。   Recently, zinc oxide (ZnO) has attracted attention because it has the same crystal structure and electronic structure as gallium nitride (GaN), which is a blue semiconductor laser material. In particular, since ZnO is an environmentally friendly oxide, it is expected as a thin film material for electronic devices such as a novel short wavelength light emitting material and a photovoltaic power generation material.

電子デバイス用薄膜は、その特性を高めるため、結晶性の向上が要求されることがある。特に、種々の用途において気相法による電子デバイス用薄膜の単結晶化が求められている。また、耐熱性の低い基板またはデバイスへの適用を可能にするため、電子デバイス用薄膜の成膜プロセスを低温化することも要求されている。特に、室温レベルで成膜できることにより、薄膜表面がナノレベルで平坦化され、ひいては電子デバイス用途において急峻な界面が得られることとなり、極めて有用となる。   Thin films for electronic devices may be required to have improved crystallinity in order to improve their characteristics. In particular, there is a demand for single crystallization of thin films for electronic devices by a vapor phase method in various applications. In addition, in order to enable application to a substrate or device having low heat resistance, it is also required to lower the temperature of the film formation process of the thin film for electronic devices. In particular, since the film can be formed at the room temperature level, the surface of the thin film is flattened at the nano level, and as a result, a steep interface can be obtained for electronic device applications, which is extremely useful.

ZnO薄膜を気相法で成膜する場合、該薄膜を結晶性(多結晶体を含む)に、さらには単結晶性(エピタキシャル成長膜)にするときは、通常、当該薄膜堆積基板を400℃〜800℃の高温に加熱する。このような加熱処理は、当該技術分野では、基板上での薄膜材料の拡散および結晶化のための原子配列移動を促進するために欠かせないものであると認識されている。   When a ZnO thin film is formed by a vapor phase method, when the thin film is made crystalline (including a polycrystal) and further made monocrystalline (epitaxially grown film), the thin film deposition substrate is usually set to 400 ° C. to Heat to a high temperature of 800 ° C. Such heat treatment is recognized in the art as being indispensable to promote atomic arrangement transfer for diffusion and crystallization of thin film materials on a substrate.

しかし、このような高温での加熱処理は、基板と薄膜の間の熱膨張率差や、界面熱拡散、等により電子デバイスを損傷させる原因となり得る。特に、有機薄膜をはじめとする耐熱性の低い薄膜と結晶性ZnO薄膜との複合化を考えた場合、気相法による成膜プロセスの低温化が避けられない課題となる。また、結晶性ZnO薄膜の膜表面をより平坦化することにより、電子デバイス用途における界面特性の向上を図ることも望まれる。   However, such heat treatment at a high temperature can cause damage to the electronic device due to a difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the thin film, interfacial thermal diffusion, or the like. In particular, when considering the combination of a thin film with low heat resistance such as an organic thin film and a crystalline ZnO thin film, it is an unavoidable problem to lower the temperature of the film forming process by the vapor phase method. It is also desired to improve the interface characteristics in electronic device applications by flattening the film surface of the crystalline ZnO thin film.

透明導電膜の技術、オーム社、1999年、第135〜144頁Transparent conductive film technology, Ohmsha, 1999, pages 135-144

したがって、本発明の目的は、結晶性の良好なZnO薄膜を低温で、特に加熱することなく室温で、形成させる方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a ZnO thin film having good crystallinity at a low temperature, particularly at room temperature without heating.

上記の目的は、基板上に400℃未満の温度で結晶性酸化亜鉛薄膜を形成させる方法であって、該基板上に表面が主に(111)格子面となる結晶性緩衝層を設けた後、該緩衝層の上に酸化亜鉛薄膜を気相法により堆積させることを特徴とする方法によって達成される。   The above object is a method of forming a crystalline zinc oxide thin film on a substrate at a temperature of less than 400 ° C., and after providing a crystalline buffer layer whose surface is mainly a (111) lattice plane on the substrate. This is achieved by a method characterized by depositing a zinc oxide thin film on the buffer layer by a vapor phase method.

本発明によると、結晶性の良好な、特に単結晶形態の、ZnO薄膜を低温で、特に室温で、形成させることができる。このように低温で結晶性ZnO薄膜が得られるので、有機薄膜をはじめとする耐熱性の低い薄膜との複合化が容易となり、電子デバイス用途の幅が広がる。また、本発明によると、結晶性ZnO薄膜の膜表面の平坦性が向上するので、電子デバイス用途における界面特性の向上を図ることができる。   According to the present invention, a ZnO thin film having good crystallinity, particularly in a single crystal form, can be formed at a low temperature, particularly at room temperature. Thus, since a crystalline ZnO thin film can be obtained at a low temperature, it can be easily combined with a thin film having low heat resistance such as an organic thin film, and the range of applications for electronic devices is widened. In addition, according to the present invention, since the flatness of the film surface of the crystalline ZnO thin film is improved, it is possible to improve the interface characteristics in electronic device applications.

本発明による方法は、基板上に400℃未満の温度で結晶性ZnO薄膜を形成させるに際し、該基板上に表面が主に(111)格子面となる結晶性緩衝層を設けた後、該緩衝層の上にZnO薄膜を気相法により堆積させることを特徴とする。   In the method according to the present invention, when a crystalline ZnO thin film is formed on a substrate at a temperature of less than 400 ° C., a crystalline buffer layer whose surface is mainly a (111) lattice plane is provided on the substrate, and then the buffer is formed. A ZnO thin film is deposited on the layer by a vapor phase method.

ZnO薄膜は、気相法で成膜した場合、通常、当該薄膜堆積基板を400℃〜800℃の高温に加熱することにより結晶性、場合によってはエピタキシャル成長して単結晶性となる。これは、加熱によって、堆積されるZnOの基板上における拡散および結晶化のための原子配列移動が促進されるからである。しかし、本発明者は、ZnOの原子配列移動を促進させる独立した薄膜、すなわち緩衝層を基板上に極薄く堆積させ、その上にZnOを気相成長させることにより、低温で、場合によっては室温で、結晶性に優れたZnO薄膜が得られることを見出した。   When a ZnO thin film is formed by a vapor phase method, it is usually crystalline by heating the thin film deposition substrate to a high temperature of 400 ° C. to 800 ° C., and epitaxially grows to become single crystal in some cases. This is because heating promotes atomic arrangement movement for diffusion and crystallization of the deposited ZnO on the substrate. However, the present inventor has deposited an independent thin film that promotes atomic arrangement movement of ZnO, that is, a buffer layer on the substrate, and deposited ZnO on the substrate by vapor deposition, so that the present invention can be used at low temperatures and in some cases at room temperature. Thus, it was found that a ZnO thin film having excellent crystallinity can be obtained.

本発明による緩衝層は、表面が主に(111)格子面となる結晶性のものである。当業者であれば、(111)格子面で結晶成長する結晶性化合物について理解をすることができる。特に、本発明による緩衝層は、岩塩型結晶構造、ウルツ鉱型結晶構造または蛍石型結晶構造を有する無機化合物薄膜であることが好ましい。岩塩型、ウルツ鉱型または蛍石型の結晶構造についても、当業者であれば理解をすることができる。具体的には、岩塩型結晶構造を有する薄膜として、酸化ニッケル(NiO)薄膜、窒化チタン(TiN)薄膜、等が、ウルツ鉱型結晶構造を有する薄膜として、窒化アルミニウム(AlN)薄膜、窒化ガリウム(GaN)薄膜、等が、また蛍石型結晶構造を有する薄膜として、酸化セリウム(CeO)薄膜、等が挙げられる。また、表面が(111)格子面となる限り、該緩衝層を2以上の層を組み合わせることにより構成してもよい。 The buffer layer according to the present invention is a crystalline layer whose surface is mainly a (111) lattice plane. A person skilled in the art can understand a crystalline compound that grows on the (111) lattice plane. In particular, the buffer layer according to the present invention is preferably an inorganic compound thin film having a rock salt type crystal structure, a wurtzite type crystal structure or a fluorite type crystal structure. Those skilled in the art can also understand the crystal structure of rock salt type, wurtzite type or fluorite type. Specifically, as a thin film having a rock salt type crystal structure, a nickel oxide (NiO) thin film, a titanium nitride (TiN) thin film, etc., and as a thin film having a wurtzite type crystal structure, an aluminum nitride (AlN) thin film, gallium nitride. Examples of the thin film having a (GaN) thin film and the like having a fluorite-type crystal structure include a cerium oxide (CeO 2 ) thin film. Further, as long as the surface becomes a (111) lattice plane, the buffer layer may be constituted by combining two or more layers.

本発明による緩衝層は、気相法により、基板上に形成させることができる。基板は、目的に応じてセラミック、ガラス、プラスチック、シリコン、金属、等から選ぶことができる。特に、本発明によると、室温という低温で処理されることができるので、耐熱性の低い基板上、あるいは有機物層の上に、緩衝層を形成させることができる。気相法は常法によることができ、例えばマグネトロンスパッタリング、反応性スパッタリング、等のスパッタ法や、電子ビーム蒸着法のような蒸着法、レーザー分子線エピタキシー法のようなレーザーアブレーション法、化学的気相成長(CVD)法、等が好適に用いられる。   The buffer layer according to the present invention can be formed on the substrate by a vapor phase method. The substrate can be selected from ceramic, glass, plastic, silicon, metal, etc. according to the purpose. In particular, according to the present invention, since it can be processed at a low temperature of room temperature, a buffer layer can be formed on a substrate having low heat resistance or an organic material layer. The vapor phase method can be a conventional method. For example, sputtering methods such as magnetron sputtering and reactive sputtering, vapor deposition methods such as electron beam vapor deposition, laser ablation methods such as laser molecular beam epitaxy, chemical vapor deposition, and the like. A phase growth (CVD) method or the like is preferably used.

本発明による緩衝層の膜厚は、一般に1〜100nm、好ましくは2〜20nmの範囲内とすればよい。緩衝層が1nmより薄いと、結晶性ZnO薄膜の低温成膜という目的を十分に達成することができない。反対に100nmより厚くすると、緩衝層表面の凹凸が大きくなり、得られるZnO薄膜の平坦性が低下する。   The thickness of the buffer layer according to the present invention is generally in the range of 1 to 100 nm, preferably 2 to 20 nm. If the buffer layer is thinner than 1 nm, the objective of forming a crystalline ZnO thin film at a low temperature cannot be sufficiently achieved. On the contrary, when the thickness is larger than 100 nm, the unevenness of the buffer layer surface becomes large, and the flatness of the obtained ZnO thin film is lowered.

本発明によると、上述の結晶性緩衝層を設けた後、その上にZnO薄膜を気相法により堆積させる。このように堆積されたZnO薄膜は結晶性、好ましくは単結晶性となる。ZnO薄膜を堆積させる際、上述の緩衝層を担持する基板を加熱する必要はない。加熱しない場合、堆積温度は室温、すなわち概ね20℃±5℃となる。もちろん、基板その他の要素の耐熱性が許す限りにおいて、当該基板を加熱することは可能である。その場合でも、従来考えられていた高温(400℃以上)に加熱する必要はなく、400℃未満の低温で、結晶性の、特に単結晶性のZnO薄膜を形成することができる。   According to the present invention, after providing the above crystalline buffer layer, a ZnO thin film is deposited thereon by a vapor phase method. The ZnO thin film thus deposited becomes crystalline, preferably single crystalline. When depositing the ZnO thin film, it is not necessary to heat the substrate carrying the buffer layer described above. Without heating, the deposition temperature is room temperature, ie approximately 20 ° C. ± 5 ° C. Of course, the substrate can be heated as long as the heat resistance of the substrate and other elements allows. Even in that case, it is not necessary to heat to a conventionally considered high temperature (400 ° C. or higher), and a crystalline, particularly single-crystal ZnO thin film can be formed at a low temperature of less than 400 ° C.

本発明によると、酸化亜鉛にドーパントを含めることもできる。ZnOにドーパントを含めることにより、ZnO薄膜の導電性その他の特性を向上させることができる。ドーパントの含め方、すなわちドーピング法については、当業者であれば、採用する気相法に応じて適宜選定することができる。例えば、レーザー分子線エピタキシー法を採用した場合、所望の薄膜ドーパント濃度に対応する含有率でドーパントを予め含有するZnO焼結体をターゲットとして使用すればよい。   According to the present invention, the zinc oxide can also include a dopant. By including a dopant in ZnO, the conductivity and other characteristics of the ZnO thin film can be improved. The method of including the dopant, that is, the doping method can be appropriately selected by those skilled in the art according to the gas phase method employed. For example, when the laser molecular beam epitaxy method is employed, a ZnO sintered body that contains a dopant in advance at a content corresponding to a desired thin film dopant concentration may be used as a target.

酸化亜鉛に対するドーパントとしては、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、ホウ素(B)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、等が挙げられる。ドーパント濃度は、0.1〜5質量%、好ましくは2〜3質量%の範囲内で、所期の用途に応じて具体的に決めることができる。   Examples of the dopant for zinc oxide include aluminum (Al), indium (In), gallium (Ga), boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), titanium (Ti), zirconium (Zr), and the like. It is done. The dopant concentration can be specifically determined in the range of 0.1 to 5% by mass, preferably 2 to 3% by mass, depending on the intended use.

本発明によると、表面が主に(111)格子面となっている結晶性緩衝層の上に、ドーパントを含むかまたは含まないZnO薄膜を、気相法により堆積させる。気相法としては、先に緩衝層について説明した常法を、目的に応じて適宜採用すればよい。気相法による堆積速度としては、一般に10μm/時以下、好ましくは0.1μm/時以下とする。一般に堆積速度の遅い方が、堆積膜の結晶性は向上するが、工業生産性を考慮する場合、10μm/時程度の速度が要求されることがある。気相法による堆積速度については、当業者であれば、採用した具体的方法に応じて適宜調節制御を行うことができる。   According to the present invention, a ZnO thin film containing or not containing a dopant is deposited by a vapor phase method on a crystalline buffer layer whose surface is mainly a (111) lattice plane. As the vapor phase method, the conventional method described above for the buffer layer may be appropriately employed depending on the purpose. The deposition rate by the vapor phase method is generally 10 μm / hour or less, preferably 0.1 μm / hour or less. In general, the slower the deposition rate, the better the crystallinity of the deposited film. However, when considering industrial productivity, a rate of about 10 μm / hour may be required. A person skilled in the art can appropriately adjust and control the deposition rate by the vapor phase method according to the employed specific method.

本発明によると、堆積される酸化亜鉛は(0001)格子面で成長する配向を示す。このように低温で、特に室温で、成長したZnO薄膜の結晶性は、従来法により高温成長したZnO薄膜の結晶性と何ら変わらず、特に、光学特性に優れる+c極性成長であることがわかった。このような単結晶状で+c極性を有するZnO薄膜を室温で形成する技術は、発光素子の大量生産時において安価に生産するための有効な手段となる。また、有機薄膜等との複合化においても高温加熱による損傷が低減される点でも有利である。   According to the present invention, the deposited zinc oxide exhibits an orientation that grows on the (0001) lattice plane. It was found that the crystallinity of the ZnO thin film grown at such a low temperature, particularly at room temperature, is no different from the crystallinity of the ZnO thin film grown at a high temperature by the conventional method, and in particular, it is + c polarity growth with excellent optical characteristics. . Such a technique of forming a single crystal ZnO thin film having + c polarity at room temperature is an effective means for inexpensive production at the time of mass production of light emitting devices. In addition, it is advantageous in that damage due to high-temperature heating is reduced even when combined with an organic thin film or the like.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these Examples.

緩衝層およびZnO薄膜の成膜には、波長248nmのKrFエキシマレーザーを具備するレーザー分子線エピタキシー(レーザーMBE)装置(ラムダフィジク社製、型式:LPX−100)を使用した。得られた薄膜の結晶性の評価には、反射高速電子線回折法(RHEED)およびX線回折法を使用した。得られた薄膜の平坦性の評価には、原子間力顕微鏡写真を使用した。得られた薄膜の表面構造(極性)の評価には、同軸型直衝突イオン散乱分光法(CAICISS)を使用した。   For the formation of the buffer layer and the ZnO thin film, a laser molecular beam epitaxy (laser MBE) apparatus (Lambda Physic, Model: LPX-100) equipped with a KrF excimer laser with a wavelength of 248 nm was used. In the evaluation of the crystallinity of the obtained thin film, reflection high-energy electron diffraction (RHEED) and X-ray diffraction were used. Atomic force micrographs were used to evaluate the flatness of the obtained thin film. For the evaluation of the surface structure (polarity) of the obtained thin film, coaxial type direct collision ion scattering spectroscopy (CAICISS) was used.

比較例1
極めて平坦なサファイア(単結晶アルミナ)(0001)基板の上に、上記レーザーMBE装置を用いて、室温(約20℃)で、表1に示した厚さのZnO膜を直接成膜した。ターゲットにはZnO焼結体を使用した。ターゲット上でのレーザーエネルギー密度、レーザー周波数および雰囲気圧を、下記表1に示したように設定した。
Comparative Example 1
A ZnO film having the thickness shown in Table 1 was directly formed on a very flat sapphire (single crystal alumina) (0001) substrate at room temperature (about 20 ° C.) using the laser MBE apparatus. A ZnO sintered body was used as a target. The laser energy density, laser frequency, and atmospheric pressure on the target were set as shown in Table 1 below.

得られたZnO薄膜の、2つの方向(<1120>、<1010>)からのRHEEDパターンを図1に示す。2つの方向からのRHEEDパターンは同一となり、単結晶膜に特有な異種パターンは得られなかった。このように方向を変えてもRHEEDパターンが変わらないのは、基板面内の結晶方向がランダムであることを意味する。したがって、得られたRHEEDパターンから、該薄膜は、基板面内ではランダムに配向し、基板垂直方向のみに配向した多結晶性配向膜であったことがわかる。また、得られたZnO薄膜のX線回折測定結果を図2に示す。この結果から、該薄膜は、(0001)方向に配向した多結晶性配向膜であったことがわかる。   The RHEED pattern from two directions (<1120>, <1010>) of the obtained ZnO thin film is shown in FIG. The RHEED patterns from the two directions were the same, and a different pattern peculiar to the single crystal film was not obtained. Even if the direction is changed in this way, the RHEED pattern does not change, which means that the crystal direction in the substrate surface is random. Therefore, it can be seen from the obtained RHEED pattern that the thin film was a polycrystalline alignment film that was randomly oriented in the substrate plane and oriented only in the direction perpendicular to the substrate. Moreover, the X-ray-diffraction measurement result of the obtained ZnO thin film is shown in FIG. From this result, it can be seen that the thin film was a polycrystalline alignment film oriented in the (0001) direction.

得られたZnO薄膜の原子間力顕微鏡表面像を図3に示す。図中、RMSは、表面粗さ(平均二乗粗さ)を示す指数である。この結果から、該薄膜は、表面粗さが0.77nmという非常に荒れた膜であったことがわかる。また、得られた薄膜の表面構造(極性)は、CAICISS測定より、多結晶性配向膜であるため+c極性と−c極性とが混在した膜であったことが確認された。   FIG. 3 shows an atomic force microscope surface image of the obtained ZnO thin film. In the figure, RMS is an index indicating the surface roughness (mean square roughness). From this result, it can be seen that the thin film was a very rough film having a surface roughness of 0.77 nm. Moreover, since the surface structure (polarity) of the obtained thin film was a polycrystalline alignment film, it was confirmed by CAICISS measurement that it was a film in which + c polarity and −c polarity were mixed.

実施例1〜4
極めて平坦なサファイア(単結晶アルミナ)(0001)基板の上に、上記レーザーMBE装置を用いて、室温(約20℃)で、緩衝層として、(a)TiN(実施例1)、(b)NiO(実施例2)、(c)AlN/TiN(実施例3)および(d)AlN/NiO(実施例4)を成膜した。各ターゲット上でのレーザーエネルギー密度、レーザー周波数および雰囲気圧を、表1に示したように設定した。さらに各緩衝層の厚さと表面配向を表1に示す。ここで、AlN/TiNおよびAlN/NiOの記述は、基板上に最初にTiNまたはNiOを堆積した後、その上にAlNを堆積したことを示す。
Examples 1-4
(A) TiN (Example 1), (b) on a very flat sapphire (single crystal alumina) (0001) substrate as a buffer layer at room temperature (about 20 ° C.) using the laser MBE apparatus. NiO (Example 2), (c) AlN / TiN (Example 3) and (d) AlN / NiO (Example 4) were deposited. The laser energy density, laser frequency, and atmospheric pressure on each target were set as shown in Table 1. Further, Table 1 shows the thickness and surface orientation of each buffer layer. Here, the description of AlN / TiN and AlN / NiO indicates that TiN or NiO was first deposited on the substrate and then AlN was deposited thereon.

得られた各緩衝層の上に、上記レーザーMBE装置を用いて、室温(約20℃)で、表1に示した厚さのZnO膜を成膜した。ターゲットにはZnO焼結体を使用した。ターゲット上でのレーザーエネルギー密度、レーザー周波数および雰囲気圧を、表1に示したように設定した。   On each of the obtained buffer layers, a ZnO film having a thickness shown in Table 1 was formed at room temperature (about 20 ° C.) using the laser MBE apparatus. A ZnO sintered body was used as a target. The laser energy density, laser frequency, and atmospheric pressure on the target were set as shown in Table 1.

得られた各ZnO薄膜のRHEEDパターンを図4に示す。(a)〜(d)のいずれの薄膜についても、線状(ストリーク状)のRHEEDパターンが得られ、その上2つの方向(<1120>、<1010>)のRHEEDパターンが異なっている。これは、基板面内で結晶方位がそろっており、これらの薄膜が単結晶的(エピタキシャル)に成長したことを示している。また、得られた各ZnO薄膜のX線回折測定結果を図5に示す。(a)〜(d)のいずれの薄膜についても、ZnO特有の(0002)回折ピークが確認され、参考用の比較例1のピークより強いものとなっている。すなわち、該薄膜が、緩衝層効果により(0001)配向し、基板面内で結晶方向がそろったエピタキシャル薄膜であったことがわかる。   The RHEED pattern of each obtained ZnO thin film is shown in FIG. For any of the thin films (a) to (d), a linear (streaky) RHEED pattern is obtained, and the RHEED patterns in two directions (<1120> and <1010>) are different. This indicates that the crystal orientations are aligned in the substrate plane, and these thin films have grown single crystal (epitaxially). Moreover, the X-ray-diffraction measurement result of each obtained ZnO thin film is shown in FIG. In any of the thin films (a) to (d), a (0002) diffraction peak peculiar to ZnO was confirmed, which is stronger than the peak of Comparative Example 1 for reference. That is, it can be seen that the thin film was an epitaxial thin film having (0001) orientation due to the buffer layer effect and having a uniform crystal orientation in the substrate plane.

得られた各ZnO薄膜の原子間力顕微鏡表面像を図6に示す。図中、RMSは、表面粗さ(平均二乗粗さ)を示す指数である。これらの表面像から、(a)〜(d)のいずれの薄膜も、サファイア基板の原子ステップ構造を残しながら成長していることがわかり、これらの表面が非常に平坦であることが確認された。また、得られた薄膜の表面構造(極性)は、CAICISS測定より、いずれも+c極性を有していることが確認された。   An atomic force microscope surface image of each obtained ZnO thin film is shown in FIG. In the figure, RMS is an index indicating the surface roughness (mean square roughness). From these surface images, it was found that any of the thin films (a) to (d) grew while leaving the atomic step structure of the sapphire substrate, and it was confirmed that these surfaces were very flat. . Moreover, it was confirmed from the CAICISS measurement that the surface structure (polarity) of the obtained thin film has + c polarity.

実施例5
シリコン(Si)(111)基板の上に、上記レーザーMBE装置を用いて、室温(約20℃)で、緩衝層として、CeO(厚さ3nm)を成膜した。CeOターゲット上でのレーザーエネルギー密度、レーザー周波数および雰囲気圧を表1に示したように設定した。該緩衝層の表面配向は(111)であった。
Example 5
On the silicon (Si) (111) substrate, CeO 2 (thickness 3 nm) was formed as a buffer layer at room temperature (about 20 ° C.) using the laser MBE apparatus. The laser energy density, laser frequency and atmospheric pressure on the CeO 2 target were set as shown in Table 1. The surface orientation of the buffer layer was (111).

得られた緩衝層の上に、上記レーザーMBE装置を用いて、室温(約20℃)で、アルミニウムを0.3質量%ドープした厚さ100nmのZnO:Al膜を成膜した。ターゲットには、Alを0.3質量%ドープしたZnO焼結体を使用した。ターゲット上でのレーザーエネルギー密度、レーザー周波数および雰囲気圧を表1に示したように設定した。   On the obtained buffer layer, a ZnO: Al film having a thickness of 100 nm doped with 0.3% by mass of aluminum was formed at room temperature (about 20 ° C.) using the laser MBE apparatus. A ZnO sintered body doped with 0.3% by mass of Al was used as a target. The laser energy density, laser frequency, and atmospheric pressure on the target were set as shown in Table 1.

得られたZnO:Al薄膜のRHEEDパターンを図7に示す。線状(ストリーク状)のRHEEDパターンが得られ、その上2つの方向(<1120>、<1010>)のRHEEDパターンが異なっている。これは、基板面内で結晶方位がそろっており、これらの薄膜が単結晶的(エピタキシャル)に成長したことを示している。また、得られたZnO:Al薄膜のX線回折測定結果を図8に示す。ZnO特有の(0002)回折ピークが確認され、すなわち、該薄膜が、緩衝層効果により(0001)配向し、基板面内で結晶方向がそろったエピタキシャル薄膜であったことがわかる。   The RHEED pattern of the obtained ZnO: Al thin film is shown in FIG. A linear (streaky) RHEED pattern is obtained, and the RHEED patterns in two directions (<1120> and <1010>) are different. This indicates that the crystal orientations are aligned in the substrate plane, and these thin films have grown single crystal (epitaxially). Moreover, the X-ray-diffraction measurement result of the obtained ZnO: Al thin film is shown in FIG. A (0002) diffraction peak peculiar to ZnO was confirmed, that is, it was found that the thin film was an epitaxial thin film having a (0001) orientation due to the buffer layer effect and having a uniform crystal orientation in the substrate plane.

比較例1で得られたZnO薄膜の反射高速電子線回折(RHEED)パターン(結晶構造)を示す図面代用写真である。5 is a drawing-substituting photograph showing a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) pattern (crystal structure) of the ZnO thin film obtained in Comparative Example 1. FIG. 比較例1で得られたZnO薄膜のX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a ZnO thin film obtained in Comparative Example 1. 比較例1で得られたZnO薄膜の表面像(薄膜表面組織)を示す原子間力顕微鏡による図面代用写真である。5 is a drawing-substituting photograph by an atomic force microscope showing a surface image (thin film surface texture) of a ZnO thin film obtained in Comparative Example 1. FIG. 実施例1〜4で得られた各ZnO薄膜の反射高速電子線回折(RHEED)パターン(結晶構造)を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the reflection high-energy electron diffraction (RHEED) pattern (crystal structure) of each ZnO thin film obtained in Examples 1-4. 実施例1〜4で得られた各ZnO薄膜のX線回折パターンを示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction pattern of each ZnO thin film obtained in Examples 1-4. 実施例1〜4で得られた各ZnO薄膜の表面像(薄膜表面組織)を示す原子間力顕微鏡による図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph by the atomic force microscope which shows the surface image (thin film surface structure | tissue) of each ZnO thin film obtained in Examples 1-4. 実施例5で得られたZnO:Al薄膜の反射高速電子線回折(RHEED)パターン(結晶構造)を示す図面代用写真である。6 is a drawing-substituting photograph showing a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) pattern (crystal structure) of a ZnO: Al thin film obtained in Example 5. FIG. 実施例5で得られたZnO:Al薄膜のX線回折パターンを示すグラフである。6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a ZnO: Al thin film obtained in Example 5. FIG.

Claims (9)

基板上に400℃未満の温度で結晶性酸化亜鉛薄膜を形成させる方法であって、該基板上に表面が主に(111)格子面となる結晶性緩衝層を設けた後、該緩衝層の上に酸化亜鉛薄膜を気相法により堆積させることを特徴とする方法。   A method of forming a crystalline zinc oxide thin film on a substrate at a temperature of less than 400 ° C., wherein after providing a crystalline buffer layer whose surface is mainly a (111) lattice plane on the substrate, A method comprising depositing a zinc oxide thin film thereon by a vapor phase method. 該緩衝層が岩塩型結晶構造、ウルツ鉱型結晶構造または蛍石型結晶構造を有する無機化合物薄膜である、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the buffer layer is an inorganic compound thin film having a rock salt type crystal structure, a wurtzite type crystal structure or a fluorite type crystal structure. 該緩衝層がNiO薄膜、TiN薄膜、AlN薄膜、GaN薄膜もしくはCeO薄膜またはこれらの組合せである、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the buffer layer is a NiO thin film, a TiN thin film, an AlN thin film, a GaN thin film, a CeO 2 thin film, or a combination thereof. 該緩衝層の膜厚が2〜20nmの範囲内にある、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the thickness of the buffer layer is in the range of 2 to 20 nm. 該酸化亜鉛薄膜が単結晶性である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the zinc oxide thin film is monocrystalline. 該酸化亜鉛薄膜がドーパントを含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the zinc oxide thin film contains a dopant. 該ドーパントがアルミニウムである、請求項6に記載の方法。   The method of claim 6, wherein the dopant is aluminum. 該温度が20℃±5℃である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the temperature is 20 ° C. ± 5 ° C. 該気相法をレーザー分子線エピタキシー法で行う、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the gas phase method is performed by a laser molecular beam epitaxy method.
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